材料物理性能(第四章材料的光学性能)x教案分析.ppt

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第四章材料的光学性能,4.2光通过介质的现象4.2.1折射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。

光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率。

如果光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角i1，折射角i2与两种材料的折射率n1和n2有下述关系：

影响n值的因素有：

1构成材料元素的离子半径马克斯威尔电磁波理论认为光在介质中的传播速度为：

式中：

C真空中光速，介质介电常数，介质导磁率,对于无机材料电介质，故当离子半径增大时，其增大，因而n也增大。

因此，可以用大离子得到高n的材料，用小离子得到低n的材料，如。

2材料的结构、晶型和非晶态象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均质介质。

但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质。

光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射。

双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。

上述两条折射光线，平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0，不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律。

另,3材料所受的内应力有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。

4同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低温时存在的晶型折射率n较高。

表4.1列出了部分玻璃和晶体的折射率。

4.2.2色散材料的折射率n随入射光的频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。

色散=，几种材料的色散见图4.1和4.2。

色散值可以直接由图4.1确定。

常用的色散系数为式中nD、nF和nC分别为以钠的D谱线，氢的F谱线和C谱线（5893、4861和6563）为光源，测得的拆射率。

经典色散理论：

（阻尼受迫振子模型）介质原子的电结构被看成是正负电荷之间由一根无形的弹簧束缚在一起的弹性振子。

在光波电磁场的作用下作受迫振动，振动的相位与振子的固有频率和光波频率有关。

受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波，由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方向前进。

次波和入射波叠加，使得合成波的在介质中的传播速度与入射光波的频率有关，导致介质对不同频率的光有着不同的折射率。

4.2.3反射当光线由介质1入射到介质2时，光在介质面上分成了反射光和折射光，所图4.3所示。

设光的总能量流W为式中W、分别为单位时间通过单位面积的入射光、反射光和折射光的能量流，根据波动理论由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以,m反射系数，根据能量守恒定律（1-m）称为透射系数。

由上式可知，在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率。

设一块折射率为的玻璃，光反射损失为,透过部分为。

如果透射光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此时透过部分为如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为,由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损失严重。

如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界面的反射损失。

4.3材料的透光性4.3.1介质对光的吸收1吸收的一般规律设有一块厚度为x的平板材料，如图4.4，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为。

选取其中一薄层，并认为光通过此层的吸收损失正比于在此处的光强度I和薄层的厚度，,上式表明光强度随厚度的变化符合指数衰减规律，即朗伯特定律。

式中为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。

取决于材料的性质和光的波长。

即:

朗伯特（Lambert）定律：

在价质中光强随传播距离呈指数衰减。

当光的传播距离达到1/a时，强度衰减到入射时的1/e。

a越大材料越厚，光就被吸收得越多，透过光的强度越小。

产生光吸收的原因：

光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。

此外介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其它分子碰撞，电子的能量转变为分子的热动能，从而造成光能的衰减。

任何物质都只对特定的波长范围表现为透明，而对另一些波长范围则不透明。

一：

金属对光吸收较强-金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，无需跃迁到导带即能产生碰撞而发热。

二：

电介质材料，如玻璃、陶瓷等具有较好的透过性-电子质材料的价电子所处的能带是满带。

它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定波长内，吸收率数小。

三：

紫外光，能量大，半导体电子就会吸收能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数大，禁带宽度Eg为:

4.3.2光吸收与光波长的关系,在紫外区出现紫外吸收端，当光子能量达到禁带宽度时，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数将骤然增大。

此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度求得：

式中，普朗克常数，C光速。

另外，在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。

要使谐振点波长尽可能远离可见光区，即吸收峰的频率尽可能小，则需选择较小的材料热振频率。

式中与力有关的常数，由离子间结合力决定，Mc和Ma分别为阳离子和阴离子质量。

普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线、紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。

在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。

实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。

任何物质都有这两种形式的吸收（一般吸收和选择吸收）只是出现的波长范围不同而已。

4.3.3介质对光的散射光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起散射。

对于相分布均匀的材料，由于散射而光强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式：

式中I0为光的原始强度，,I为光束通过厚度为x的试件后，由于散射在光前进方向上的剩余强度，S散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关，见图4.6。

其单位为。

当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。

如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则:

从图4.6中可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。

当时，则随着d的增加，散射系数S也随之增大；当时，则随着d的增加，s反而减小，当时，s达最大值。

4.3.4材料的透光性光通过厚度为x的透明陶瓷片时，各种光能的损失见图4.7所示。

强度为I0的光束垂直地入射到陶瓷左表面，由于陶瓷片与左侧介质之间存在相对折射，因而在表面上有反射损失:

L=透进材料中的光强度为:

1吸收系数对于陶瓷、玻璃等电介质材料，其吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的，见图4.4所示。

2反射系数材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。

3散射系数这一因素最影响陶瓷材料的透光率。

材料宏观及显微缺陷晶粒排列方向气孔引起的散射损失,散射系数

（1）材料的宏观及微观缺陷

（2）晶粒排列方向的影响（3）气孔引起的散射损失,4.2.5提高材料透光性的措施1提高原材料纯度2掺加外加剂目的是降低材料的气孔率，气孔由于相对折射率的关系，其影响程度远大于杂质等其它结构因素。

3工艺措施采取热压法比普通烧结法更便于排除气孔，因而是获得透明陶瓷较为有效的工艺，热等静压法效果更好。

一、不透明性（乳浊）图4.9所示为釉和玻璃板中小颗粒散射的总效果图。

影响该效果的光学特性有：

a镜反射光的分数（它决定光泽）；b直接透射光的分数；c入射光漫反射的分数；d入射光漫透射的分数。

要获得高度乳浊（不透明性），就要求光在达到具有不同光学特性底层之前被漫反射掉。

为了有高的半透明性，光应该被散射掉。

决定总散射系数从而影响两相系统乳浊度的主要因素有：

颗粒尺寸，相对折射率以及第二相颗粒的体积含量。

乳浊剂的成分构成釉的主要成分的硅酸盐玻璃，其。

作为一种有效的散射剂，加进玻璃内的乳浊剂必须满足以下条件：

a具有与玻璃显著不同的折射率；b能够在玻璃基体中形成小颗粒。

常用的乳浊剂,含锌化合物，溶解温度高，烧成温度比较窄。

TiO2折射率比较高，且能够成核并结晶成非常细的颗粒。

但在高温下，在还原气氛下，会出现显色。

因此只能用在搪瓷（9731073）CeO也是良好的乳浊剂，但是稀有而昂贵SnO2也是良好的乳浊剂，烧成如遇到还原气氛，则还原成SnO而溶于釉中，乳浊效果消失。

锆化合物，乳浊效果稳定，不受气氛影响。

同样也是成本较高。

直接利用天然锆英石（ZrSiO4），成本较低,乳浊机理入射光被反射、吸收和透射所占的分数取决于釉层的厚度、釉的散射和吸收特性。

对于无限厚的釉层，其反射率m等于釉层的总反射（入射光被漫反射和镜面反射）的分数。

m取决于吸收系数和散射系数之比:

但是实际上釉层厚度是有限的，釉层底部与基底材料的界面，也会有反射上来的光线增加到总反射率中去。

下面分两种情况分析：

（1）设釉层与底材之间的反射率m=0（底材为一种完全吸收或完全透过入射光的材料），则釉层表面的反射为m0；

（2）与反射率为的底材相接触的釉层的表面光反射率，釉层的覆盖能力和m0与的比值有关，称为对比度或乳浊能力。

取基底的反射率=0.80比较方便，即上式变为式中是指基底反射率为0.80时，釉层表面的反射率。

用高反射率、厚釉层和高的散射系数，可以得到良好的乳浊效果。

二、半透明性乳白玻璃和半透明瓷器及釉的一个重要光学性质是半透明性，即除了由玻璃内部散射所引起的漫反射以外，入射光中漫透射的分数对于材料的半透明性起着决定作用。

对于乳白玻璃最好是具有明显的散射而吸收最小，这样就会有最大的漫透射。

最好的方法是在这种玻璃中掺入和基质材料的折射率相近的NaF和CaF2。

单相氧化物陶瓷的半透明性是它的质量标志，在这类陶瓷中存在的气孔往往具有固定的尺寸，因而半透明性几乎只取决于气孔的含量。

例如，Al2O3陶瓷的折射率比较高，而气相，相对折射率，气孔的尺寸在0.52.0m，接近于入射光的波长，所以散射最大。

因此，如图4.10所示，当气孔率增加到3%左右时，透射,率将降低到0.01%；而当气孔率降低0.3%时，透射率仍然有完全致密试件的10%。

这就是说，对于含有小气孔率的高密度单相陶瓷，半透明度是衡量残留气孔率的一种敏感尺度，也是瓷器的一种良好质量标志。

获得半透明体的方法：

（1）降低气孔的含量，使物体致密化，减少散射。

（2）细化晶粒尺寸，在微米级范围。

（3）调整各个相的折射率使之有较好的匹配。

4.4无机材料的颜色和发光,一、光和颜色光的三基色：

红、蓝、绿颜料的三基色：

红、黄、蓝光的相加、相减,二、颜色的起因物质对光的选择吸收物质发射的波长不同的电磁波光在物质中的传播（反射、透射、偏转、散射）,三、无机材料的颜色,1配位场化学化合物着色的最重要的来源是过渡族元素（V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni）或稀土元素离子（钕、铒、钬等），它们或出现于固溶体中，或以晶体的固有阳离子存在。

这些元素在电子占据轨道方面不同于主族元素。

如对于过渡族元素，主要涉及能量很相近的部分添满的3d轨道（简并能级）。

当d轨道上的电子数少时，按照洪德规则，过渡族元素的原子或离子中有许多未完全充满的能级，因而电子在d轨道能级间跃迁就有可能。

但是在能级完全充满的情况下，则不存在这种可能性。

如果未充满的d轨道（或f）轨道间的能量间隔处在相当于可见光的能量范围内，因而电子在这些轨道间跃迁时吸收光子而产生带色的透射光。

2着色剂由于过渡金属离子周围的环境或配位场可能对离子的吸收特性产生影响，从而影响产生的颜色，因此对于特定的颜色可以用一定的离子组合体或发色团来得到。

3胶态粒子着色胶态着色剂最常见的有胶体金（红）、银（黄）、铜（红）以及硫硒化镉等几种。

金属与非金属胶体粒子有完全不同的表现。

金属胶体粒子的着色是由于胶体粒子对光的散射而引起选择性吸收引起的，决定于粒子的大小。

非金属胶体粒子的着色主要决定于它的化学组成，粒子尺寸的影响很小。

如硫硒化镉胶粒的着色有两种观点：

一种是：

与CdS,CdSe的半导特性有关。

根据半导体的能带理论，硒原子中满带的电子比硫原子容易激发到导带。

所以在基体中形成的CdSxCdSe（1-x）微晶体的禁带宽度随CdSe相对含量的增大而逐渐下降，导致其吸收极限逐渐向长波方向移动，颜色由黄到橙、红、深红转变，这一观点在国际上受到重视。

另一观点是：

光吸收都是由于一定能量的光激发阴离子（O2-,S2-,Se2-,Te2-）上的价电子到激发态所致。

它们的亲电子势的大小为O2-S2-Se2-Te2-，故能量较小的光就能激发它们的价电子到激发态，使其短波极限进入可见光区，而导致着色。

短波极限波长的位置随它们的亲电子势减小逐渐向长波转移。

故随着CdS/CdSe比值的减小，吸收波向长波方向移动。

4影响色料颜色的因素,

（1）加入的某些无色化合物如ZnO，Al2O3等对色调的改变也有作用。

（2）烧成温度的高低，通常制品只有正烧的条件下才能得到预期的颜色效果，生烧往往颜色浅淡，而过烧则颜色昏暗。

成套餐具、成套彩色卫生洁具、锦砖等产品出现的色差，往往是烧成时的温差引起的。

这种色差会影响配套。

（3）气氛对色料颜色的关系很大。

某些色料应在规定的气氛下才能产生指定的色调，否则将变成另外的颜色。

如钧红釉是我国一种著名的传统铜红釉，在强还原气氛下烧成，便能获得由于金属铜胶体粒子析出而着成的红色。

激光基体的类型和组成激光晶体按化学分类有以下几种类型：

1）简单有序结构氟化物：

基质常用CaF2、BaF2、HgF2等，激活离子有Nd3+、Sm3+、Dy3+、U3+等2）氟化物固溶体：

CaF2-YF3、LiYF4等为基质，Gd3+、Tb3+为激活离子3）有序结构的氧化物体系：

Al2O3:

Cr3+、LiNbO3:

Nd3+、MgO:

Ni2+以及复合氧化物钇铝石榴石（YAG）等。

4）高浓度自激活晶体：

如NdP5O14中Nd3+的浓度在50可达到41021cm-3，比YAG:

Nd3+最高掺杂（1.2%）高60倍。

这类晶体的激活成分本身就是基质的组成，故称作自激活晶体，是发展微型激光器最有应用前景的材料。

5）色心晶体：

碱金属卤化物，如LiF:

Nd3+、LiF:

Na+等。

6）其他类型还有Ca5（PO4）3F:

Nd3+、Sr5（PO4）3F:

Nd3+、La2O2S:

Nd3+等。

本章小结,1.光通过无机介质材料时发生的现象2.影响无机材料透光性的因素及如何提高无机材料的透光性。

3.半透明的机理4.无机材料的着色机理,